Главная / Блог / Полезное / Руководство по быстрому прототипированию для разработки продукта

Гайд по быстрому прототипированию

Руководство по быстрому прототипированию для разработки продукта
Логотип сайта
09.11.2021

Прототипирование является важной частью процесса разработки продукта, но традиционно оно было “бутылочным горлышком” производства.

Дизайнеры и инженеры продуктов создавали модели согласно концепции с помощью базовых инструментов, но для создания функциональных прототипов и деталей производственного качества часто требовались те же процессы, что и для готовой продукции. Традиционные производственные процессы, такие как литье под давлением, требуют дорогостоящей оснастки и настройки, что делает производство малой партии прототипов непомерно дорогим.

Прототипирование_1.jpg

Быстрое прототипирование помогает компаниям превращать идеи в реалистичные доказательства концепции, производит из этих концепций высококачественные прототипы, которые выглядят и работают как конечный продукт, и направляет его через ряд этапов проверки прямо до массового производства.

Благодаря быстрому прототипированию дизайнеры и инженеры могут создавать прототипы непосредственно из моделей САПР программ быстрее, чем когда-либо прежде, а также быстро и часто пересматривать свои проекты на основе тестирования в реальных условиях.

В этом руководстве вы узнаете, как быстрое прототипирование вписывается в процесс разработки продукта, его применения и какие инструменты быстрого прототипирования доступны современным командам разработчиков продуктов.

Что такое “быстрое прототипирование”?

Быстрое прототипирование - это группа методов, используемых для быстрого изготовления масштабной модели изделия или сборки с использованием данных систем автоматического проектирования (САПР). Поскольку эти изделия или сборки обычно изготавливаются с использованием методов аддитивного изготовления, в отличие от традиционных методов вычитания, эта фраза стала синонимом аддитивного производства и 3D-печати.

Аддитивное производство естественным образом подходит для создания прототипов. Оно обеспечивает практически неограниченную свободу моделирования, не требует оснастки и может изготавливать детали с механическими свойствами, близкими к различным материалам, изготовленным традиционными методами производства. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но их высокая стоимость и сложность в основном ограничивают использование крупными корпорациями или вынуждают небольшие компании передавать производство на аутсорсинг специализированным фирмам, неделями ожидая получения готового прототипа.

Появление компактной и настольной 3D-печати изменило этот статус-кво и вдохновило многих  на массовое внедрение аддитивного производства, конца и края которому не видно. Благодаря самостоятельной 3D-печати инженеры и дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми проектами и физическими прототипами. Теперь можно создавать прототипы в течение одного дня и проверять несколько версий дизайна, размера, формы или сборки на основе результатов реальных испытаний и анализа. В конечном счете, быстрый процесс прототипирования помогает компаниям выводить на рынок лучшие продукты быстрее, чем их конкуренты.

Преимущества быстрого прототипирования

Обдумайте и проверьте концепцию быстрее

Быстрое прототипирование превращает первоначальные идеи в исследования концепций с низким уровнем риска, которые за малое количество времени могут выглядеть как реальные продукты. Это позволяет дизайнерам выходить за рамки виртуальной визуализации, облегчая понимание внешнего вида дизайна и сравнение концепций бок о бок.

Передавайте идеи эффективно

Физические модели позволяют дизайнерам делиться своими концепциями с коллегами и клиентами, чтобы передавать идеи способами, которые невозможно просто визуализировать на экране. Быстрое прототипирование облегчает получение четкой, действенной обратной связи с пользователями, которая необходима создателям для понимания потребностей пользователей, а затем для уточнения и улучшения их дизайна.

Поэтапная разработка и моментальное внесение изменений

Проектирование - это всегда поэтапный процесс, требующий нескольких итераций тестирования, оценки и доработки, прежде чем перейти к конечному продукту. Быстрое прототипирование с помощью 3D-печати обеспечивает гибкость для быстрого создания более реалистичных прототипов и мгновенного внесения изменений, повышая эффективность этого важнейшего процесса разработки.

Различные этапы разработки захвата для манипулятора, распечатанные на SLA 3D-принтере

Различные этапы разработки захвата для манипулятора, распечатанные на SLA 3D-принтере

Прототипирование_3.jpg

Хорошая модель - это 24-часовой цикл разработки: проектирование во время работы, 3D-печать прототипов деталей за ночь, очистка и тестирование на следующий день, доработка дизайна, затем повторение предыдущих шагов.

Экономия затрат и времени

При 3D-печати нет необходимости в дорогостоящей оснастке и настройке: одно и то же оборудование может использоваться для изготовления различных изделий. Собственное быстрое прототипирование устраняет высокие затраты и время выполнения, связанные с аутсорсингом.

Тщательное тестирование и сведение к минимуму недостатков конструкции

При проектировании и производстве продукции раннее выявление и устранение недостатков в конструкции может помочь компаниям избежать дорогостоящих изменений дизайна и оснастки в будущем.

Быстрое прототипирование позволяет инженерам тщательно протестировать прототипы, которые выглядят и работают как конечные продукты, снижая риски, связанные с удобством использования и технологичностью, прежде чем приступить к производству.

Прототипы и тестовые модели, подтверждающие концепцию 

Концептуальные модели или прототипы, подтверждающие концепцию (POC - proof of concept), помогают разработчикам продуктов рассматривать идеи и предположения, а также проверять жизнеспособность продукта. Физические концептуальные модели могут продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, быть темой дискуссию и стимулировать принятие или отклонение изменений.

Прототипирование PoC происходит на самых ранних стадиях процесса разработки продукта, и эти прототипы включают минимальную функциональность, необходимую для проверки предположений, прежде чем переходить к последующим этапам разработки продукта.

Прототипирование_4.jpg

Доказательство концепции должно быть простым, достаточным только для того, чтобы имитировать работу продукта. Например, подставка для зарядки может быть просто 3D-печатным корпусом, подключенным к стандартному USB-кабелю для зарядки.

Ключом к успешному концептуальному моделированию является скорость; дизайнеры должны генерировать множество идей, прежде чем создавать и оценивать физические модели. На этом этапе удобство использования и качество имеют меньшее значение, и максимально полагаются на готовые детали. Например, дизайнеры швейцарской студии дизайна и консалтинга Panter&Tourron использовали 3D-печать SLA, чтобы за две недели перейти от концепции к демонстрации.

Прототипирование_5.jpg

3D-принтеры являются идеальным инструментом для концептуального моделирования. И в отличие от большинства рабочих и производственных инструментов, настольные 3D-принтеры удобны для работы в офисе, избавляя от необходимости выделения дополнительного пространства.

Масштабные прототипы

Масштабные прототипы представляют конечный продукт, но могут не иметь многих функциональных характеристик. Их цель - дать лучшее представление о том, как будет выглядеть конечный продукт, и как конечный пользователь будет взаимодействовать с ним. Эргономика, пользовательский интерфейс и удобство могут быть проверены с помощью масштабных прототипов, прежде чем тратить значительное время на проектирование и разработку функциональной части продукта.

Прототипирование_6.jpg

Разработка масштабных прототипов обычно начинается с эскизов, моделей из пенопласта или глины, а затем переходит к моделированию в САПР. По мере завершения проектирования промышленные дизайнеры стремятся создать масштабные прототипы, которые точно похожи на конечный продукт. Они используют фактические цвета, материалы и отделку, которые будут в конечном продукте.

Рабочий прототип

Параллельно с процессом промышленного проектирования инженерные группы работают над другими прототипами, чтобы протестировать и усовершенствовать механические, электрические и другие свойства продукта. Эти рабочие прототипы могут отличаться от конечного продукта, но они включают в себя основные технологии и функции, которые необходимо разработать и протестировать. 

Часто эти важнейшие основные функции разрабатываются и тестируются в отдельных подразделениях, прежде чем быть интегрированными в конечный прототип продукта. Этот подсистемный подход облегчает командам разделение обязанностей и обеспечивает надежность на более детальном уровне, прежде чем все элементы будут объединены.

Прототипирование_7.jpg

Инженерные прототипы

Инженерный прототип - это точка, в которой дизайн и инженерия встречаются для создания жизнеспособной версии конечного коммерческого продукта. Эти прототипы используются для тестирования пользователями в лабораторных условиях.

На этом этапе детали становятся все более важными. 3D-печать позволяет инженерам создавать высококачественные прототипы, которые точно представляют готовый продукт. Это облегчает проверку конструкции, функциональности и технологичности, прежде чем инвестировать в дорогостоящую оснастку и переходить к производству. Ведь время и затраты на внесение изменений увеличиваются.

Paraclenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов

Производитель водолазных камер Paraclenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов, которые выдержали испытания на глубине более 200 метров ниже уровня моря.

Современные материалы для 3D-печати могут точно соответствовать внешнему виду, ощущениям и характеристикам материалов деталей, изготовленных с помощью традиционных производственных процессов, например, литья под давлением. Различные материалы могут имитировать изделия с мелкими деталями и текстурами, мягкими на ощупь, гладкими поверхностями с низким коэффициентом трения, жесткими и прочными корпусами или прозрачными компонентами. Детали, напечатанные на 3D-принтере, могут быть обработаны: шлифовка, полировка, покраска или нанесение гальванических покрытий. Воспроизводится любой визуальный атрибут конечной детали, в том числе и резьба для сборки изделия из нескольких элементов.

Прототип влагомера из нескольких материалов с жестким корпусом и мягкими кнопками.

Инженер из Wöhler создал работающий прототип влагомера из нескольких материалов с жестким корпусом и мягкими кнопками.

Инженерные прототипы требуют тщательного функционального и пользовательского испытания, чтобы увидеть, как деталь или сборка покажут себя при воздействии нагрузок и условий эксплуатации в “полевых” условиях. 3D-печать предлагает инженерные пластмассы для высокопроизводительных прототипов, которые могут выдерживать термические, химические и механические нагрузки.

Проверка соответствия и производство

Быстрое прототипирование позволяет инженерам создавать небольшие партии, одноразовые индивидуальные решения и образцы для оценки качества продукции (EVT, DVT, PVT) и ее работоспособности.

3D-печать облегчает проверку допусков с учетом фактического производственного процесса и проведение комплексных внутренних и “полевых” испытаний перед переходом к массовому производству.

Быстрое производство с помощью 3D-печати также может сочетаться с традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением, термоформование, для повышения гибкости, масштабируемости и экономической эффективности. Технология также эффективна при создания пробных приспособлений для упрощения процесса функционального тестирования и сертификации за счет сбора данных.

Прототипирование_10.jpg

Компания по разработке медицинских устройств Coalesce использует специальные приспособления для внутреннего тестирования.

Благодаря 3D-печати разработка дизайна не обязательно заканчивается с началом производства. Инструменты быстрого прототипирования позволяют дизайнерам и инженерам постоянно совершенствовать продукты, а также быстро и эффективно реагировать на возникающие проблемы.

Инструменты и методы быстрого прототипирования

Аддитивное производство

Быстрое прототипирование, по сути, стало синонимом аддитивного производства и 3D-печати. Существует множество доступных технологий 3D-печати, причем наиболее часто используемыми для быстрого прототипирования являются метод послойного наплавления пластиковой нити (FDM), стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).

Метод послойного наплавления (FDM)

3D-печать по технологии FDM представляет собой метод 3D-печати, при котором детали изготавливаются путем плавления и выдавливания термопластичного филамента, который сопло принтера слой за слоем наносит в области построения.

FDM является наиболее широко используемой технологией 3D-печати на потребительском уровне, чему способствует появление 3D-принтеров для любителей. Профессиональные принтеры FDM, однако, также популярны как у дизайнеров, так и у инженеров.

FDM имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению с другими технологиями 3D-печати из пластика и не является лучшим вариантом для печати сложных конструкций или деталей со сложными функциями. Более качественное изделие может быть получено с помощью химических и механических процессов обработки. Некоторые профессиональные FDM 3D-принтеры используют растворимые поддержки для устранения некоторых из этих проблем.

FDM работает с целым рядом стандартных пластиков, таких как ABS, PLA и их различные варианты, а также с инженерными пластиками или даже композитами. Для быстрого прототипирования FDM-принтеры особенно полезны при изготовления простых деталей, которые подвергаются механической обработке.


Стереолитография (SLA)

3D-принтеры SLA используют лазер для отверждения жидкой смолы в пластик в процессе, называемом фотополимеризацией. SLA является одной из самых популярных технологий среди профессионалов благодаря высокому разрешению, точности и универсальности.

Детали, изготовленные по технологии SLA, обладают высочайшим разрешением и точностью, самой четкой детализацией и гладкой поверхностью по сравнению с остальными технологиями 3D-печати из пластика. SLA - отличный вариант для создания высококачественных визуальных и функциональных прототипов.

Однако главное преимущество SLA заключается в большом выборе типов смол. Производители материалов создали инновационные составы фотополимерных смол SLA с широким спектром оптических, механических и термических свойств, соответствующих свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластов.

SLA 3D-печать также является одним из самых быстрых инструментов для создания прототипов, до 10 раз быстрее, чем 3D-печать FDM.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Селективное лазерное спекание является наиболее распространенной технологией аддитивного производства для промышленного применения, которой доверяют инженеры и производители в различных отраслях промышленности за возможность изготавливать прочные функциональные детали.

3D-принтеры SLS используют мощный лазер для плавления мелких частиц полимерного порошка. Нерасплавленный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных конструкциях. Это делает SLS идеальным решением для сложных геометрий, включая внутренние элементы, выемки, тонкие стенки. Детали, изготовленные с помощью SLS-печати, обладают превосходными механическими характеристиками, а их прочность напоминает прочность деталей, отлитых под давлением.

Прототипирование_11.jpg

В быстром прототипировании SLS 3D-печать в основном используется для функциональных и инженерных прототипов для тщательного тестирования продуктов (например, воздуховодов, кронштейнов) и обратной связи с клиентами на местах.

Станки с ЧПУ

Станок с числовым программным управлением (ЧПУ), в отличие от FDM, SLA или SLS, - является цифровым вычислительным устройством для управления производственными процессами. Деталь из разных материалов формируются путем резки, растачивания, сверления и шлифования.

ЧПУ включает обработку, которая удаляет материал либо вращающимся инструментом и неподвижной деталью (фрезерование), либо вращающейся деталью с помощью неподвижного инструмента (токарный станок). Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки широкого спектра материалов с высокой точностью. Водоструйные фрезы используют воду, смешанную с абразивом и высоким давлением, для резки практически любого материала. Фрезерные станки и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им управлять более сложными конструкциями. Лазерные и водоструйные резаки больше подходят для плоских деталей.

ЧПУ могут формировать детали из пластмасс, мягких металлов, твердых металлов (промышленные станки), дерева, акрила, камня, стекла, композитов. По сравнению с инструментами аддитивного производства, установки ЧПУ более сложны в настройке и эксплуатации, в то время как для некоторых материалов и конструкций может потребоваться специальная оснастка, обработка, позиционирование и обработка, что делает их дорогостоящими для одноразовых деталей по сравнению с аддитивными процессами.

При быстром прототипировании они идеально подходят для простых конструкций, конструктивных деталей, металлических компонентов и других изделий, которые невозможно или экономически не выгодно изготавливать с помощью дополнительных инструментов.

Источник: https://formlabs.com/blog/ultimate-guide-to-rapid-prototyping/

#Полезное
Все материалы

Остались вопросы?

Наши специалисты помогут с выбором 3D-оборудования или аксессуаров, проконсультируют по любым вопросам.

Нашли дешевле?

Нашли дешевле?

Ваш запрос успешно отправлен.

Как только он будет обработан, менеджеры нашей компании свяжутся с вами.

Купить в один клик

Запросить КП

Форма программы Trade-in

Добавить отзыв

Заполните форму